Le manque de granulats de qualité dans certaines régions françaises tend à devenir un problème majeur pour les entreprises de travaux publics. En effet, avec une consommation annuelle de 200 millions de tonnes de granulats, la route se doit de faire face en imaginant de nouvelles solutions comme la valorisation de certains matériaux.La craie, située entre roche et sol, possède une place particulière dans le monde des travaux publics. En effet, si son usage est relativement bien maîtrisé en vue de la réalisation de remblais ou de couches de forme, il en est tout autrement des couches d’assise de chaussées.Ce type de matériau est usuellement rejeté de la conception des assises de chaussées car il ne s’insère pas dans les guides normatifs utilisés par les professionnels de la route. Les performances mécaniques et la grande sensibilité à l’eau de ce matériau ne lui permettent pas d’entrer dans les spécifications requises par les normes. Cependant, il est tout à fait envisageable que la craie trouve sa place de manière totale ou partielle en assise de chaussée.Ce matériau que l’on trouve en abondance dans certaines régions françaises pauvres en granulats "haut de gamme" (Nord-Pas de Calais, Champagne-Ardenne…), pourrait ainsi palier un certain manque, participer à la préservation de ressources naturelles et économiser frais et pollution générés par un approvisionnement lointain.Ces travaux menés en partenariat entre le Laboratoire de Génie Civil de l’Ecole Centrale de Lille et le Laboratoire Routier Eurovia de Loos ont donc pour but de proposer des pistes d’amélioration des performances mécaniques de la craie en vue de sa valorisation en assise de chaussée routière / The lack of high quality aggregates in some French regions seems to become a main issue for road work firms. With an annual consumption of 200 millions tonnes of aggregates, road professionals must square up finding new solutions like the valorisation of some forgotten materials. Between rock and soil, chalk has a particular position in road work. While its use is relatively well managed for the realisation of fills and subgrade courses, the same certainly cannot be said for base courses. This kind of material is usually rejected for the design of road base courses because it is not approved within the current standards used by road professionals. Indeed, the low mechanical performances and the high water sensibility of chalk do not allow this material to be used. However, it seems possible to find some pre-treatments to harden chalk for a use in road base courses.This material is found profusely in some French regions otherwise limited in upscale aggregates (Nord-Pas de Calais, Champagne-Ardenne…). Therefore, valorising chalk may overcome the lack of aggregates, contribute to the preservation of natural resources, save up money and avoid pollution due to distant supplying.The study presented here is conducted in partnership between the Ecole Centrale de Lille Civil Engineering Laboratory and the Eurovia Roadworks Laboratory of Loos. We provide several trails aimed at improving the mechanical properties of chalk for its use in road base courses

Cette étude vise à améliorer la compréhension d’un phénomène observé lors de l’exploitation de réservoir de stockage de gaz naturel : la venue de sable dans le puits de forage. Cette venue de sable peut être due à des facteurs structurels ou à une fatigue du matériau suite aux cycles de pression de gaz. Ce travail se concentre sur l’aspect comportement du matériau et il est composé de plusieurs parties complémentaires. Le critère de rupture de type Drucker-Pragger est identifié en contrainte effective triaxiale sans pression de pore. Son utilisation avec pression permet ensuite d’évaluer la pression de gaz critique entrainant la rupture. Cette pression est ensuite appliquée à 80% de sa valeur pour observer si des phénomènes différés peuvent survenir. On a en effet obtenu la rupture dans plusieurs cas après avoir maintenu cette pression pendant un long laps de temps et montré que les cycles de pression endommageaient significativement le matériau. En parallèle, la perméabilité du matériau sous contrainte axiale décroît constamment, malgré sa dilatance, ce qui selon nous, confirme la venue de sable. Enfin nous avons montré que l’endommagement du matériau accroît notablement sa légère anisotropie naturelle et s’accompagne d’un impact très clair sur les couplages poro-mécaniques (coefficient de Biot). Cette partie du travail donne ainsi des outils qui pourraient être utilisés dans la description des effets structuraux induits par les variations de pression de gaz autour du forage. / This study aims to improve the understanding of the phenomenon of sand production around borehole during exploitation of natural gas storage. The source of sand may be due to structural factors or fatigue of the material because of the cyclic injection and extraction of gas pressure. This work focuses on the mechanical behaviors, transport properties and poromechanical proprieties of a sandstone. The Drucker-Pragger failure criterion is identified with triaxial effective stress without pore pressure. It can be used to evaluate the critical gas pressure causing rock failure at constant confining pressure and deviatoric stress. 80% of the critical gas pressure is then applied to observe whether different phenomenon will occur. Several cases of rupture are obtained after maintaining this gas pressure for a long time and cyclic loading-unloading of gas pressure damages the material significantly. At the meantime, the permeability of the material under axial stress decreases constantly even at volumetric dilatation stages which confirms the phenomenon of sand production. Finally, we find that mechanical damage increases its slightly natural anisotropy and it has a very significant influence on the poro-mechanical behaviors (Biot’s coefficient). This part of the work can be used to describe the structural effects induced by gas pressure variation around the borehole

Le stockage d’énergie joue un rôle très important dans le secteur énergétique. Concernant le stockage thermique, il est indispensable pour le fonctionnement en continue des centrales solaires à concentration (CSP) ou pour la récupération des chaleurs perdues dans des installations industrielles. Il y a de nos jours un besoin urgent de nouveaux matériaux performants pour remplacer les matériaux conventionnels à base de nitrate pour un fonctionnement à haute température. La présente thèse porte sur le développement de nouveaux matériaux à base de phosphates pour le stockage de la chaleur sensible. C’est la première étude sur l’utilisation des phosphates dans le stockage de la chaleur. Deux approches ont été explorées : le développement des matériaux liquides et des matériaux céramiques monolithiques. Dans la partie des matériaux liquides, l’objectif est de développer des phosphates ayant le même principe de fonctionnement que les sels fondus. Un grand nombre de phosphates a été étudié et les premiers critères d’évaluation sont les températures de fusion, d’évaporation ou de décomposition et la stabilité thermique. Le ternaire M(PO)3 (M = Li, Na, K avec 33,3% molaire de chaque alkali) peut fonctionner à l’état liquide entre 390 et 850°C alors que l’acide polyphosphorique peut fonctionner jusqu’à 200°C (température de solidification restant à déterminer). Concernant les matériaux céramiques, l’étude sur les monolithes de phosphates purs montre des difficultés lors de la mise en forme et la médiocre performance mécanique de ces matériaux. Le travail s’est ensuite focalisé sur les mélanges argileux-sable/phosphates. L’ajout de phosphates est indispensable pour améliorer les propriétés thermiques et mécaniques des céramiques traditionnelles de terre cuite. L’influence de la température de cuisson, la nature des phosphates et la granulométrie des phosphates a été étudié. Les propriétés physiques, thermiques, mécaniques, thermophysiques, thermomécaniques et la stabilité thermique de ces céramiques ont été étudiées entre 30 et 1000°C. Les résultats obtenus ont montré la bonne compétitivité des céramiques à base du mélange argileux-sable/phosphates par rapport aux autres matériaux de stockage thermique solides tels que le béton, les roches naturelles...Le potentiel d’application de ces céramiques a été démontré par des tests de stockage de type thermocline à l’échelle pilote utilisant les meilleurs matériaux monolithiques et de l’air comme fluide caloporteur. Différents paramètres comme la température d’entrée (350 à 850°C) et le débit du fluide caloporteur ont été étudiés pour les deux phases de charge et de décharge. En parallèle, un modèle 1D a été développé avec COMSOL-multiphysics pour simuler des étapes de charges et de décharges. Le modèle décrit les échanges de chaleur entre le solide, l'air et la paroi et tient compte de tous les paramètres liés au stockage thermocline. Les résultats de simulation sont en bon accord avec les données expérimentales obtenues lors des tests à l'échelle pilote. Ce travail a montré de forts intérêts des matériaux à base de phosphates pour le stockage thermique à des différentes gammes de températures couvrant toutes les technologies CSP et la chaleur fatale industrielle. / Energy storage plays a very important role in the energy sector. Concerning the thermal energy storage (TES), it is indispensable for the continuous operation of concentrated solar power plants (CSP) as well as for the recovery of waste heat from industrial facilities. However, there is currently an urgency to develop new TES materials in order to support nitrate-based molten salts, which are up-to-date the only commercial TES materials. This work aimed to develop new phosphate-based materials for sensible heat storage. This is the first study on the use of phosphates as heat storage material. Both liquid and solid phosphate-based materials were developed and their properties and performances in TES were investigated. For liquid materials, the goal is to design phosphates which have the similar operation principle to nitrate-molten salts. This means they are under liquid state when working as TES materials. Different alkali polyphosphates (M(PO)3, M = Li, Na, K) were studied and the first assessment criteria was the melting point, boiling point and thermal stability. Two potential materials were identified. The first one was the ternary mixture of alkali polyphosphates ( Li33.3 Na33.3 K33.3(PO)3 ) which exists under liquid form between 390 and 850°C. The second one was polyphophoric acid ( HPO3.n H2O ) which exist in liquid form up to 200°C. Its melting point will be determined. For solid phosphate-based materials, the utilization of a selected synthetic phosphate or raw phosphate ore without any additive met a major difficulty of shaping step, and the products obtained exhibited poor mechanical performances. The work is then focused on ternary mixtures of clay-sand/phosphates. With this concept, phosphates played the role of additives to improve the properties of traditional fired clay ceramics for TES purposes. Thus, a parametric study was carried out for different clay-sand/phosphate mixtures. The influence of the firing temperature, the nature of phosphates and the granulometry of phosphates were investigated. The physical, thermal, mechanical, thermophysical, and thermomechanical properties and the thermal stability were studied between 30 and 1000°C. The best product was made of 76.24 wt.% clay, 19.06 wt.% sand and 4.7 wt.% hydroxyapatite - a synthetic phosphate and 80 wt.% clay, 15 wt.% sand and 5 wt.% raw phosphate ore. They were competitive versus other solid TES materials such as concrete, natural rocks etc. The potential application of these ceramics was experimentally demonstrated by using a pilot-scale TES system with air as heat transfer fluid. Both charging and discharging phases were successfully repeated several times with various inlet air temperatures (from 350 to 850°C) and air flow rates. Finally, a dynamic 1D model was developed using Comsol Multiphysics software to simulate the charging and discharging phases of the pilot-scale TES tests. This model took into account the role of air, solid ceramic and reservoir wall and integrated all the parameters that impacted the temperature profile in the storage tank. The simulation results matched well with experimental data.

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Cette étude a pour objectifs la caractérisation expérimentale des frottements saccadés dans les matériaux granulaires modèles constitués des billes de verre monodisperses en compression triaxiale drainée et l'identification des paramètres de contrôle. Cinq paramètres macroscopiques caractérisent ces frottements saccadés : la chute de déviateur et la contraction volumique, l'intermittence de déformation axiale, le module d'Young et le coefficient de Poisson. Les frottements saccadés affectent simultanément le déviateur et la déformation volumique. Le comportement macroscopique est globalement contractant tandis que le matériau tend vers un état limite critique en grandes déformations, à la manière des sables lâches. Cependant il présente localement, dans les phases de blocage qui suivent immédiatement les ruptures temporaires, le comportement dilatant des sables denses, qui obéit à une relation contrainte-dilatance linéaire et unique. Les frottements saccadés disparaissent au-delà d'une vitesse critique d'écrasement axial, qui dépend de la contrainte de confinement et de la taille des grains. Le module d'Young dynamique par propagation d'ondes varie avec la contrainte de confinement selon une loi de puissance. Le module d'Young quasi-élastique au départ des phases de blocage est constant à l'intérieur du domaine élastique, de même que le coefficient de Poisson. Le suivi par granulométrie laser et par analyse d'images des matériaux après un ou plusieurs essais triaxiaux permet de suivre l'évolution de la taille moyenne et de la forme des grains. Tandis que les instabilités par saccade disparaissent suite à un certain nombre d'essais, on observe, simultanément à une légère diminution du volume moyen, l'apparition progressive de populations d'objets non sphériques par une fusion des grains analogue au frittage. / The objectives of this study are the experimental characterisatino of the stick-slip instabilities in a model granular material and the identification of relevant control parameters. As monodisperse glass beads are subjected to drained triaxial compression tests, five macroscopic parameters characterize the stick-slip phenomenon: the deviator drop, the jump in volumetric contraction, the intermittence of the axial strain, Young’s modulus and Poisson’s ratio. The stick-slip events simultaneously affect the deviator stress and the volumetric strain. While the global material behavior is that of a loose sand, gradually contracting and hardening as it approaches its large strain critical state, its response in the “stick” phases immediately following the “slip” instabilities is similar to that of dense, dilatant sands, with a unique, linear stress-dilatancy relationship. Stick-slip events disappear beyond a critical axial strain rate, depending on the confining stress and on the grain diameter. The Young modulus associated to wave propagation varies with the confining stress according to a power law. The quasi-elastic modulus measured at the beginning of the stick phase is constant inside the elastic domain, as well as the Poisson ratio. The evolution of grain size and shape after one or several triaxial tests is monitored by laser granulometry and image analysis. The gradual vanishing of stick-slip events, on repeating the tests, is likely related to the global decreasing trend of average particle volume and to the formation of non-spherical objects, apparently by some phenomenon analogous to sintering.

Dans les dernières décennies, la plupart des pays du monde ont connu une pénurie d'eau et l’augmentation du taux de consommation. Aujourd'hui, tous les pays dans le monde essayent de trouver des alternatives pour remédier à cette pénurie. Une solution consiste en la réutilisation des eaux grises (GW) pour l'irrigation après traitement. Les GW correspondent aux eaux usées générée dans une maison à l'exception de l'eau des toilettes. Les risques associés à la réutilisation de ces eaux est la présence de microorganismes pathogènes qui peuvent infecter les humains, les animaux et les plantes. Dans cette thèse centrée sur l'étude de la survie des représentants d'agents pathogènes, comme E. coli, P. aeruginosa, et le bactériophage MS2 qui sont trouvés dans les eaux grises. Il a été étudié l’effet de quelques facteurs physico-chimiques tels que; température (6 ± 2,23 ± 2 et 42 ± 2 ° C), la salinité (1,75 and 3.5% de NaCl), de l'oxygène (aérobie et anaérobie), des éléments nutritifs (milieu riche et de milieux pauvres), la lumière avec la photocatalyse (lampes UV et visible) et filtre à sable lent (sable du désert égyptien et le sable piscine). Une combinaison de la température, la lumière du soleil et de haute photocatlysis sont principalement responsables de la baisse rapide des bactéries et du coliphage MS2. Le filtre à sable lent a une influence nettement moindre sur la survie des bactéries dans les eaux grises, mais il est efficace pour diminuer la turbidité et de la DCO. / In recent decades, most countries of the world have experienced a shortage of water and increase its rate of consumption. Today, every country in the world are interested in this problem by trying to find alternatives to address this shortage. One solution is reuse greywater (GW) for irrigation after treatment. GW is all water generated from Household except toilet water. The risks associated with the reuse of these waters are the presence of pathogens that can infect humans, animals and plants. In this thesis focused on studying treatment by slow sand filtration and the survival of representatives of pathogens, such as E. Coli, P. aeruginosa , E. Faecalis and Bacteriophage MS2 which could be found in the greywater. The study factors was a physico-chemicals factors such as; temperature (6±2,23±2,42±2°c), salinity (1.75 and 3.5% Nacl), oxygen (aerobic and anaerobic condition), nutrient ( rich media , 50%: 50% salt and poor media ), light with photocatalysis ( UV and Visible lights) and slow sand filter (Egyptian desert sand and swimming pool sand). A combination of high temperature, sunlight and photocatlysis are mainly responsible for the rapid decline of bacteria and MS2 coliphage. Slow sand filter have clearly less influence on the survival of bacteria in the greywater, but it effective to decline turbidity and COD for short times.

Les ancrages hélicoïdaux, largement utilisés pour résister à des efforts de traction pour une variété d’applications comme les pylônes électriques, les pipelines, les structures offshore, etc., sont soumis à des chargements cycliques qui influent sur la performance d’encrage et peuvent induire une rupture par fatigue. Cependant, l’influence des sollicitations cycliques sur le comportement d’encrage hélicoïdal est mal connue. Une évaluation approfondie de l’effet des charges cycliques sur la réponse effort – déplacement des ancrages avec une seule hélice dans les sols sableux est présentée, incluant un diagramme d’interaction pour aider à évaluer l’impact des différentes conditions de chargement cyclique. La partie expérimentale de cette thèse comprend des essais en centrifugeuse géotechnique et des essais de chargement in situ. Les essais en centrifugeuse ont été effectués sur des modèles réduits d’encrages hélicoïdaux dans du sable à l’IFSTTAR (Nantes, France). Les essais de chargement in situ ont été réalisés sur des ancrages hélicoïdaux installés dans le sol tropical résiduel du site expérimental de l’Université de Sao Paulo (Sao Carlos, Brésil). De plus la modélisation numérique a été utilisée pour prédire les réponses pré et post cycliques des ancrages d’une hélice testée en centrifugeuse. Les principales conclusions de cette recherche sont : (a) le comportement d’un ancrage hélicoïdal est régi par la capacité portante de l’hélice, et aucune perte de capacité portante d’hélice n’a été observée pour la gamme de charges cycliques testée, (b) la dégradation de la résistance par frottement latéral sur le fut a été remarquée principalement pendant les 100 premiers cycles, lorsque l’accumulation des déplacements permanents est plus importante, (c) un diagramme d’interaction montrant les différentes conditions de stabilité cyclique est proposé à partir des résultats des données expérimentales, (d) des valeurs modifiées du facteur de capacité portante (Nq) sont proposées pour l’estimation de la capacité et post-cyclique des ancrages avec une hélice dans du sable, (e) l’effet de l’installation de l’ancrage doit être pris en compte dans le modèle numérique afin d’obtenir des prédictions fiables de la performance de l’ancrage hélicoïdal. / Helical anchors, used widely to resist uplift loading for a variety of applications, including in transmission towers, pipelines, offshore structures, etc., are subjected to environmental cyclic loads that influence the anchor performance and may induce fatigue failure. However, the influence of cyclic loading on helical anchor behaviour is unknown. A comprehensive evaluation of the effect of cyclic loading on the load-displacement response of single-helix anchors in sandy soils is presented here, including an interaction diagram to help designers evaluate the impact of different conditions in cyclic loadings. The experimental work of this thesis includes geotechnical centrifuge modelling and field load tests. The centrifuge model tests were carried out with reduced scale models of helical anchors in sand, at IFSTTAR (Nantes, France). The field load tests were performed on hekical anchors installed in a tropical residual soil of the Experimental Site of the University of Sao Paulo (Sao Carlos, Brazil). In addition, numerical modelling was used to predict the pre- and post-cyclic responses of the single-helix anchors tested in a centrifuge. The main findings of this research are : (a) helical anchor behaviour is governed by helix bearing resistance and no loss of helix bearing capacity was observed in the range of cyclic loadings tested, (b) the degardation of shaft resistance was noticed mainly during the first 100 cycles, when the accumulation of permanent displacements is more significant, (c) an interaction diagramshowing the different conditions of cyclic stability is proposed from the results of the experimental data, (d) modified values of the bearing capacity factor in tension (Nq) are suggested for the estimation of post-cyclic uplift capacity of single-helix anchors in sand, (e) the installation effect of the anchor should be taken into account in the numerical model in order to obtain reliable predictions of the helical anchor performance.

<div>Grand Sable Dunes, as a perched dune field on the shore of Lake Superior, is a sensitive</div><div>ecosystem subject to continual disturbance. Repeated natural disturbances necessitate specialized</div><div>plant communities to develop. There were two objectives of my research in this system that are</div><div>treated in separate chapters. They include: 1) the quantification of successional changes in the</div><div>plant community over time, and the identification of population demography changes for rare</div><div>species within the dunes and 2) the evaluation of evaluate in pollinator species for two plants</div><div>Hieracium caespitosum (Yellow Hawkweed) and Lithospermum caroliniense (Carolina</div><div>Puccoon).</div><div>For the first objective, target plant community composition and structures (i.e. richness,</div><div>diversity) were quantified in 2011 and 2018 across Grand Sable Dunes in 1 m² quadrats.</div><div>Additionally, two relatively rare plant species (Cirsium pitcheri and Tanacetum bipinnatum)</div><div>were selected to quantify demographic (i.e. flowering, non-flowering) patterns and changes over</div><div>time. Samples for C. pitcheri and T. bipinnatum were acquired via circle-plots 2.5 m in diameter.</div><div>Population comparisons between 2011 and 2018 illustrate minimal change in community</div><div>structure (richness and diversity). Composition increased slightly with eight species occurring in</div><div>2018, but not 2011. Additionally, community similarity was high (~78%) between the two years.</div><div>C. pitcheri occurrence was inversely related to presence of other species. Plant community</div><div>composition in eastern and western survey zones within the dunes appear to be diverging. Minor</div><div>changes in the plant community composition and structures indicate successional changes have</div><div>occurred, but without major disturbance. This divergence in community composition may be</div><div>related to weather related incidents associated with Lake Superior disturbance potential.</div><div>The secondary objective concerns pollinator species on two similar plant species found in</div><div>the Grand Sable Dunes. Individuals of H. caespitosum and L. caroliniense were observed and all</div><div>floral visitors were identified to family. The majority of arthropod families were observed</div><div>10</div><div>visiting both H. caespitosum and L. caroliniense, with an absence of typically important families</div><div>(e.g. Apidae, Bombiliidae). Halictidae, Muscidae and Syrphidae were the most common visitors,</div><div>with L. caroliniense attracting far more Muscidae than their H. caespitosum competitors.</div><div>Overlap in visitors for both species was observed, which may lead to decreased reproduction in</div><div>L. caroliniense.</div>

Cette thèse consiste en l'étude expérimentale de la dynamique d'une interface granulaire inclinée et cisaillée par un écoulement d'eau laminaire, continu. Dans le canal de géométrie contrôlée, deux modes de transport sédimentaires sont observables : par érosion hydrodynamique et par écoulement gravitaire en masse. <br />Une première étude est consacrée aux seuils de mise en mouvement des particules. Deux modèles simples prenant en compte la gravité, la friction entre particules et le cisaillement du fluide, permettent de retrouver l'influence de la vitesse de l'écoulement d'eau et de la pente du lit sur les seuils de transport par érosion et par avalanche.<br />Le régime d'écoulements gravitaires est ensuite exploré pour des pentes au-delà de l'angle maximal de stabilité. Les mesures d'évolution de la pente du tas et du débit de particules (par PIV) montrent que l'avalanche atteint rapidement un régime quasi-stationnaire. La vitesse des grains dépend uniquement de la pente du tas, dans une relation quantitativement prédite par un modèle adapté des développements récents de modélisation de la rhéologie des granulaires. <br />Dans une troisième partie on s'intéresse à la déformation de l'interface granulaire dans un régime particulier. La formation de rides à tourbillon est observée à la surface de l'avalanche, lorsqu'on applique un écoulement d'eau qui tend à transporter les particules dans la direction opposée. Après une phase initiale de croissance exponentielle, l'amplitude des rides sature. La zone de recirculation à l'arrière de la ride semble contrôler la forme des structures tandis que la quantité de matière transportable par l'avalanche semble déterminer leur amplitude.